Wärmeleitfähigkeitsdetektor - Thermal conductivity detector
Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor ( WLD ), auch als Katharometer bekannt , ist ein Detektor für Schüttguteigenschaften und ein chemischer spezifischer Detektor, der üblicherweise in der Gaschromatographie verwendet wird. Dieser Detektor erfaßt Veränderungen in der thermischen Leitfähigkeit der Säule Eluent und vergleicht sie mit einem Bezugsträgergasstrom. Da die meisten Verbindungen eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die üblichen Trägergase Helium oder Wasserstoff, wird die Wärmeleitfähigkeit des Ausflusses verringert, wenn ein Analyt aus der Säule eluiert, und es wird ein nachweisbares Signal erzeugt.
Betrieb
Der WLD besteht aus einem elektrisch beheizten Glühfaden in einer temperaturgesteuerten Zelle. Unter normalen Bedingungen besteht ein stabiler Wärmefluss vom Glühfaden zum Detektorkörper. Wenn ein Analyt eluiert und die Wärmeleitfähigkeit des Säulenabflusses verringert wird, erwärmt sich das Filament und ändert seinen Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird oft von einer Wheatstone-Brückenschaltung erfasst , die eine messbare Spannungsänderung erzeugt. Der Säulenabfluss fließt über einen der Widerstände, während der Referenzfluss über einen zweiten Widerstand in der Vier-Widerstands-Schaltung fließt.
Es wird ein Schema eines klassischen Wärmeleitfähigkeitsdetektordesigns gezeigt, das eine Wheatstone-Brückenschaltung verwendet. Der Referenzfluss über den Widerstand 4 der Schaltung kompensiert eine Drift aufgrund von Fluss- oder Temperaturschwankungen. Änderungen der Wärmeleitfähigkeit des Säulenabflussstroms über den Widerstand 3 führen zu einer Temperaturänderung des Widerstands und daher zu einer Widerstandsänderung, die als Signal gemessen werden kann.
Da alle Verbindungen, organische und anorganische, eine andere Wärmeleitfähigkeit als Helium oder Wasserstoff aufweisen, können praktisch alle Verbindungen nachgewiesen werden. Deshalb wird der WLD oft als Universaldetektor bezeichnet.
Ein TCD wird nach einer Trennsäule (in einem Chromatographen) verwendet und misst die Konzentrationen jeder in der Probe enthaltenen Verbindung. Tatsächlich ändert sich das TCD-Signal, wenn eine Verbindung es passiert, und bildet einen Peak auf einer Grundlinie. Die Peakposition auf der Basislinie spiegelt den Verbindungstyp wider. Die Peakfläche (berechnet durch Integration des TCD-Signals über die Zeit) ist repräsentativ für die Konzentration der Verbindung. Eine Probe, deren Konzentrationen der Verbindungen bekannt sind, wird verwendet, um den TCD zu kalibrieren: Konzentrationen werden durch eine Kalibrierungskurve auf Peakflächen beeinflusst.
Der WLD ist ein guter Allzweckdetektor für erste Untersuchungen mit einer unbekannten Probe im Vergleich zum FID , der nur auf brennbare Verbindungen (z. B. Kohlenwasserstoffe) reagiert. Darüber hinaus ist die TCD eine unspezifische und zerstörungsfreie Technik. Der WLD wird auch bei der Analyse von Permanentgasen (Argon, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid) verwendet, da er auf all diese Substanzen anspricht, im Gegensatz zum FID, der Verbindungen ohne Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen nicht nachweisen kann.
Unter Berücksichtigung der Nachweisgrenze erreichen sowohl TCD als auch FID niedrige Konzentrationen (unter ppm oder ppb).
Beide erfordern unter Druck stehendes Trägergas (typischerweise: H 2 für FID, He für TCD), aber aufgrund des mit der H 2 -Speicherung verbundenen Risikos (hohe Entflammbarkeit, siehe Wasserstoffsicherheit ) sollte TCD mit He an Orten in Betracht gezogen werden, an denen die Sicherheit entscheidend ist .
Überlegungen
Beim Betrieb eines WLD ist zu beachten, dass der Gasfluss bei heißem Glühfaden niemals unterbrochen werden darf, da dies zum Durchbrennen des Glühfadens führen kann. Während der Glühfaden eines WLD im Allgemeinen chemisch passiviert wird , um eine Reaktion mit Sauerstoff zu verhindern, kann die Passivierungsschicht durch halogenierte Verbindungen angegriffen werden, weshalb diese nach Möglichkeit vermieden werden sollten.
Bei der Analyse auf Wasserstoff erscheint der Peak als negativ, wenn Helium als Referenzgas verwendet wird. Dieses Problem kann vermieden werden, wenn ein anderes Referenzgas verwendet wird, beispielsweise Argon oder Stickstoff , obwohl dies die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber anderen Verbindungen als Wasserstoff erheblich verringert.
Prozessbeschreibung
Es funktioniert, indem es zwei parallele Rohre hat, die beide Gas- und Heizschlangen enthalten. Die Gase werden untersucht, indem die Wärmeverlustrate von den Heizschlangen in das Gas verglichen wird. Die Spulen sind in Brückenschaltung angeordnet , so dass Widerstandsänderungen durch ungleichmäßige Kühlung gemessen werden können. Ein Kanal enthält normalerweise ein Referenzgas und das zu prüfende Gemisch wird durch den anderen Kanal geleitet.
Anwendungen
Katharometer werden medizinisch in Geräten zur Lungenfunktionsprüfung und in der Gaschromatographie eingesetzt . Die Ergebnisse sind im Vergleich zu einem Massenspektrometer langsamer zu erhalten , aber das Gerät ist kostengünstig und hat eine gute Genauigkeit, wenn die fraglichen Gase bekannt sind und nur der Anteil bestimmt werden muss.
Überwachung der Wasserstoffreinheit in wasserstoffgekühlten Turbogeneratoren .
Nachweis von Heliumverlust aus dem Heliumgefäß eines MRT-supraleitenden Magneten.
Wird auch in der Brauindustrie verwendet, um die Menge an Kohlendioxid in Bierproben zu quantifizieren.
Wird in der Energiewirtschaft verwendet, um die Menge (Heizwert) von Methan in Biogasproben zu quantifizieren
Wird in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie verwendet, um Gase für Lebensmittelverpackungen zu quantifizieren und/oder zu validieren.
Wird in der Öl- und Gasindustrie verwendet, um den Prozentsatz von HCs beim Bohren in eine Formation zu quantifizieren.